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预应力混凝土梁板抗火性能与抗火设计方法研究

侯晓萌  
【摘要】:火灾能造成建筑结构的严重破坏,甚至导致建筑结构的坍塌,预应力混凝土结构近年来发展较快,应用越来越多。结构抗火设计应同时满足预应力混凝土结构火灾下与火灾后的安全,目前欧洲抗火设计规范(EC2-1-2)虽对预应力混凝土结构抗火设计方法有所述及,但仍是初步的,尚需开展火灾下与火灾后预应力混凝土梁板力学性能的研究。论文主要开展了五个方面的研究工作。 (1)预应力钢筋、非预应力钢筋高温后的力学性能是开展火灾后预应力结构损伤评估与修复的重要依据。针对目前高温后预应力钢筋、非预应力钢筋力学性能研究中未考虑高温下应力历程对高温后力学性能的影响这一问题,为考察高温后预应力钢筋及非预应力钢筋力学性能,砸碎38个火灾后预应力混凝土梁板试件的混凝土,取出预应力钢筋及非预应力钢筋,制作成481个预应力钢筋试件和489个非预应力钢筋试件,并对这些试件进行高温后的力学性能试验。基于试验结果,探索了高温后预应力钢筋和非预应力钢筋的相关强度、弹性模量、断后伸长率等的变化规律;分别给出了高温后预应力钢筋及非预应力钢筋的应力—应变曲线方程。试验结果表明,在经历相同的温度作用后,承受初始应力的预应力钢筋较未施加初始应力的预应力钢筋的强度低,初始应力水平(常温下初始应力与常温下钢筋极限强度的比值)为0.6较无初始应力时,预应力钢筋条件屈服强度降低约7.0%;而高温后非预应力钢筋强度受初始应力的影响不大。 (2)我国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)还没有对预应力混凝土结构抗火设计作出具体规定。为研究预应力混凝土梁板的抗火性能,合作完成38个预应力混凝土简支梁板、连续梁板抗火性能试验,探索了混凝土保护层厚度、荷载水平、综合配筋指标等关键因素影响对预应力混凝土梁板抗火性能的影响,提出了火灾下混凝土梁板的无粘结筋应力、跨中变形计算公式,考察了火灾下连续梁板支座反力的变化。 (3)混凝土、预应力钢筋和非预应力钢筋的本构关系和预应力混凝土梁板的力学性能随温度—荷载途径而的不同而不同,从混凝土、普通钢筋和预应力筋的热—力耦合本构关系出发,用t时刻的混凝土应力计算t+1时刻混凝土的瞬态热应变、高温徐变,实现了混凝土热—力耦合本构关系的解耦,钢筋、预应力筋的处理方法与此相同,可获得火灾下预应力混凝土梁任意截面的弯矩—曲率全过程曲线,基于支座变形协调方程,可利用割线刚度法对支座反力进行迭代求解,通过对截面曲率积分可求得连续梁各截面的变形,进而实现了考虑热—力耦合影响的火灾下预应力混凝土梁板非线性全过程有限元分析。 (4)结构抗火设计需要同时满足结构火灾下与火灾后的安全。完成了19个火灾后预应力混凝土、钢筋混凝土简支梁板、16个火灾后预应力混凝土连续梁板的力学性能试验,获得了试件变形与裂缝发展、连续梁板支座反力变化、无粘结筋应力变化、正截面承载力变化等试验现象和测试数据,研究结果表明:相同条件下,火灾后有粘结预应力混凝土板承载力降低幅度较无粘结预应力混凝土板大。基于上述火灾后预应力混凝土梁板力学性能试验结果,提出了火灾后无粘结筋剩余应力、极限应力、裂缝宽度计算公式和变形分析方法。 (5)为满足预应力混凝土梁板抗火设计与火灾后损伤评估的需要,分总则、抗火设计方法和构造措施、混凝土爆裂验算与防爆裂构造措施、火灾后预应力混凝土梁板承载力、变形计算与修复建议等方面提出了预应力混凝土梁板抗火设计建议和火灾后损伤评估与修复建议。


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